اثر زلزله

اثر زلزله روی سازه ها چیست؟

در مقاله قبل به بزرگا و شدت یک زمین لرزه پرداخته شد. در این مقاله بر آنیم تا به اثر زلزله بر سازه ها بپردازیم. زمین لرزه موجب تکان خوردن زمین می شود. بنابراین سازه ای که بر روی آن قرار دارد دچار حرکت در پایه های خود می شود. با وجودی که پایه ساختمان همراه زمین حرکت می کند، سقف تمایل دارد طبق قانون اول حرکت نیوتن موقعیت اولیه خود را حفظ کند. اما از آنجا که دیوارها و ستون ها به آن متصل شده اند، سقف را همراه با خود می کشند. اثر زلزله بسیار شبیه وضعیتی است که شما در اتوبوس ایستاده اید و اتوبوس ناگهان شروع به حرکت می نماید. پاهای شما با اتوبوس به جلو حرکت می کند، اما قسمت فوقانی بدن شما تمایل دارد به عقب برود. این تمایل به حفظ موقعیت قبلی اینرسی نام دارد. در ساختمان، از آنجا که دیوارها و ستون ها انعطاف پذیر هستند، حرکت سقف نسبت به زمین متفاوت است.(شکل 1)

شکل 1 اثر زلزله روی سازه ها هنگامی که پایه آنها می لرزد

یک ساختمان که سقف آن روی ستون قرار دارد را در نظر بگیرید. (شکل 2) به مثال خودمان در اتوبوس بازگردیم: زمانی که اتوبوس به طور ناگهانی شروع به حرکت می نماید، شما به عقب پرتاب می شوید. مانند آن که کسی نیرویی به بالاتنه شما اعمال میکند. به طور مشابه، هنگامی که زمین حرکت می کند، ساختمان به عقب رانده می شود، و سقف نیروی اینرسی را تجربه می کند. اگر سقف جرم M و شتاب a را تجربه کند، پس از قانون دوم حرکت نیوتن، نیروی جابجایی F، M برابر شتاب a و مخالف جهت شتاب است. واضح است که جرم بیشتر به معنی نیروی اینرسی بالاتر است. بنابراین، ساختمان های سبک تر در زمین لرزه بهتر رفتار می کنند. برای درک بهتر مفاهیم قوانین نیوتن به این لینک رجوع شود.

شکل 2 نیروی اینرسی و جابجایی نسبی در یک سازه

اثر تغییر شکل در سازه

نیروی اینرسی که توسط سقف تجربه می شود از طریق ستون به زمین منتقل و باعث ایجاد نیرو درستون ها می شود. این نیروها در ستون ها نیز می توانند به روش دیگری درک شوند. در حین لرزش زلزله ستونها تحت جابجایی نسبی بین دو انتهای خود قرار می گیرند. در شکل 2، این حرکت به عنوان مقدار u بین سقف و زمین نشان داده شده است. ستونها تمایل به بازگشت به حالت مستقیم عمودی دارند، به عنوان مثال، ستونها در برابر تغییرشکل مقاومت میکنند. در موقعیت کاملا عمودی ستونها هیچ نیروی افقی لرزه ای را تحمل نمی کنند. اما هنگامی که مجبور به خم شوند، نیروهای داخلی در آنها توسعه می یابد. هرچه جابه جایی افقی نسبی u بین بالا و پایین ستون بیشتر باشد نیروی اینرسی بیشتری در ستونها بوجود می آید. همچنین، ستون های سخت تر (به عنوان مثال، ستون های بزرگتر)، نیروی  بزرگتری را تجربه می کنند. به همین دلیل، این نیروهای داخلی در ستون ها نیروی سختی نامیده می شود. در واقع، نیروی سختی در ستون، سختی ستون ضربدر جابجایی نسبی بین دو انتهای آن است.

اثر زلزله افقی و عمودی

زمین لرزه موجب لرزش زمین در هر سه جهت می شود. (شکل 3) همچنین، در طول زلزله، زمین به طور تصادفی در هریک از جهات جلو و عقب حرکت می کند. تمام سازه ها عمدتا برای حمل بارهای گرانشی طراحی شده اند. به عنوان مثال، آنها برای نیرویی مساوی با توده M (توده ای شامل وزن خود و بارهای اعمال شده) ضربدر شتاب ناشی از گرانش g در جهت عمودی –Z طراحی شده اند. نیروی پایین سوی Mg بار گرانشی نامیده می شود. شتاب لرزه ای زلزله به شتاب گرانش g در طول زلزله افزوده یا کاسته می شود. از آنجائیکه عوامل ایمنی در طراحی سازه ها برای مقاومت در برابر بارهای گرانشی استفاده می شود، طراحی  اغلب سازه ها نسبت به لرزش عمودی مناسب است.

شکل 3 جهات اصلی سازه

با این حال، لرزش افقی در امتداد هریک از خطوط X و Y (چه + و -) به عنوان یک نگرانی باقی می ماند. سازه های طراحی شده برای بارهای گرانشی، عمدتا قادر به تامین ایمنی در برابر اثرات افقی زلزله نیستند. از این رو لازم است که کفایت سازه ها در برابر اثرات افقی زلزله کنترل شود.

هدایت نیروی اینرسی به فونداسیون

تحت لرزش افقی زمین، نیروهای اینرسی افقی در سطح جرم سازه (معمولا در کف آن) تولید می شوند. این نیروهای اینرسی جانبی بوسیله دالهای کف به دیوارها یا ستون ها، پی، و در نهایت خاک بستر منتقل می شوند (شکل 4). بنابراین، هر یک از این عناصر سازه ای (دالهای کف، دیوارها، ستون ها و پی ها) و اتصالات بین آنها باید طراحی مناسبی برای انتقال امن نیروهای اینرسی به پی داشته باشند.

شکل 4 جریان نیروی اینرسی لرزه ای در اجزای سازه

دیوارها و ستون ها مهمترین عوامل انتقال نیروهای اینرسی هستند. در ساخت و ساز سنتی، توجه بیشتری به دالهای کف وتیرها نسبت به دیوارها و ستون ها در طول طراحی و ساخت می شود. دیوارها نسبتا نازک و اغلب از مواد شکننده بنایی ساخته می شوند. آنها در تحمل نیروهای اینرسی افقی  زلزله در امتداد ضخامت شان ضعیف اند. شکست در دیوارهای بنایی در بسیاری از زلزله های گذشته دیده شده است (به عنوان مثال، شکل 5a). مشابها ستون های بتنی ضعیف طراحی و ساخته شده ممکن است فاجعه آمیز باشند. شکست ستون های همکف در طی زلزله 2001 Bhuj (هند) باعث نابودی ساختمان های متعدد شد (شکل 5b).

شکل 5 اهمیت طراحی دیوارها و ستونها برای نیروهای افقی زلزله